Untersuchung an Meßsteuerungen

109 Pages·1963·3.558 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz, Dozent Dr.-Ing. Janez Peklenik (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1148
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 658.51
658.52.011.56
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz
Dozent Dr.-Ing. Janez PekJenik
Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre
an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
Untersuchung an Meßsteuerungen
SPRINGER F ACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-06448-0 ISBN 978-3-663-07361-1 (eBook)
DOI 10.1007/973-3-663-07361-1
Verlags-Nr.011148
© 1963 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Originally published by Westdeutscher Verlag, Köln und Opl.den in 1963
Inhalt
1. Problemstellung ................................................ 7
2. Untersuchungen der Genauigkeit und Stabilität der Fertigung. . . . . . . . . . 9
2.1 Definition der Fertigungsgenauigkeit .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Definition der Fertigungsstabilität .. ...... ............ ........ 18
2.3 Genauigkeits- und Stabilitätsdiagramm der Fertigung ........... 19
2.4 Untersuchung der Genauigkeit und Stabilität bei verschiedenen
Fertigungsverfahren ........................................ 20
3. Aufbau von ~leßsteuerungen ..................................... 28
3.1 Anordnung des Meßortes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
3.11 Meßsteuerungen mit der ~leßwertaufnahme vor der Bearbeitung 28
3.12 Meßsteuerungen mit der Meßwertaufnahme während der Be-
arbeitung ........................................... ....... 30
3.13 Meßsteuerungen mit der Meßwertaufnahme nach der Bearbeitung 32
3.2 Gerätemäßige Auslegung von Meßsteuerungen ............... .. 36
3.21 Meßsysteme und Durchführung der Messung ........ .......... 36
3.22 Zustellsysteme bei den ~leßsteuerungen .............. .... .... . 40
4. Systematik der Informationsgewinnung in der automatisierten Fertigung 44
5. Methoden der Informationsgewinnung in den meßgesteuerten Werkzeug-
maschinen ..................................................... 51
5.1 Allgemeine Gesichtspunkte ............................ ...... 51
5.2 Rechenmethoden zur automatisierten Auswertung von Informationen 52
5.21 Einige Bemerkungen zur Berechnung des Mittelwertes der Merkmale 53
5.22 Berechnungsmethoden für die Streuungsmaße .................. 54
6. Untersuchungen der Störgrößen in den Meßsteuerungssystemen ....... , 57
6.1 Vergütungs grad der Fertigung ............................... 59
6.2 Einfluß des Werkstückes als Eingangsgröße auf die Abweichungen
im Toleranzfeld ............................................ 62
6.3 Einfluß der Maschine auf die Abweichungen im Toleranzfe\d ...... 65
6.31 Abweichungen infolge der elastischen Verformungen . . . . . .. . . ... 65
6.32 Abweichungen infolge der thermischen Verlagerungen ... ....... 68
6.33 Geometrische und kinematische Fehler der Maschinenelemente ... 76
6.34 Abschalt- und ::\achstellfehler ........................... ... .. 79
5
6.4 Einfluß des Werkzeuges auf die Abweichungen im Toleranzfeld .. 83
6.5 Fehler der Meßköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85
6.6 Verschiedene Ursachen für die Abweichungen im Toleranzfeld ... 88
7. Bestimmung von Kriterien für die Auslegung einer Meßsteuerung ...... 89
7.1 Analytische Untersuchungen zur Bestimmung der Ausgangsgröße . 89
7.2 Einige Gesichtspunkte für den Einsatz einer Meßsteuerung ...... 98
8. Zusammenfassung .............................................. 100
9. Literaturverzeichnis ............................................. 103
6
1. Problemstellung
Die Erhöhung der Produktivität und der Genauigkeit der Erzeugnisse des
Maschinenbaues stellen neben der Wirtschaftlichkeit die wichtigsten Anforderun
gen in der spanabhebenden Fertigung dar. Diesen beiden Aufgaben steht aber
die Tatsache entgegen, daß der Mangel an Arbeitskräften beachtliche Ausmaße
angenommen hat, und die Lage auf dem Arbeitsmarkt immer gespannter wird.
In der Entwicklung der metallverarbeitenden Industrie zeichnet sich in den
letzten 15 Jahren ein stärkeres Bestreben ab, die Fertigungsvorgänge in wirt
schaftlich vertretbarem Umfang zu automatisieren. Dadurch erhofft man, die
Forderungen nach der Erhöhung der Produktivität und der Fertigungsgenauig
keit zu erfüllen.
Das Gebiet der Automatisierung der spanabhebenden Fertigung ist sehr breit
und vielfältig. Eine große Anzahl von Fertigungsvorgängen und Hilfsoperationen
lassen sich vollkommen oder teilweise automatisch durchführen.
Grundsätzlich kann man das gesamte Gebiet in folgende Bereiche einteilen:
1. Positionieren - das Werkzeug oder das Werkstück wird in eine vorgegebene
Lage gebracht. Anschließend erfolgt der Arbeitsvorgang, z. B. Ausbohren einer
Bohrung, Fräsen einer Fläche usw. 2. Stetigbahngesteuerte Bearbeitung - die
Form des Werkstückes wird in ihren laufenden Koordinaten auf einem Programm
träger (Lochband, Tonband) gespeichert. Das Werkzeug bewegt sich so, daß die
gewünschte Werkstückform im Zerspanungsvorgang erzeugt wird. 3. Kopieren
die Werkstückform wird in eine Schablone oder Zeichnung gelegt. Mit Hilfe
von hydraulischen oder elektrischen Kopiersteuerungen werden die Formen auf
das Werkstück übertragen. 4. Meßgesteuerte Bearbeitung - die Werkstücke mit
elementaren Formen werden in ihren Abmessungen während oder nach der
Bearbeitung gemessen und nach dem Meßergebnis wird die Maschine entspre
chend gesteuert.
Es gibt noch verschiedene Arten der Automatisierung der Bearbeitung, wie
z. B. in den Fertigungsstraßen, in den Drehautomaten usw. Diese Möglichkeiten
unterscheiden sich von den oben angeführten dadurch, daß es sich in dem Falle
um keine regelungstechnischen Lösungen handelt.
Die vorliegenden Untersuchungen befassen sich mit den meßgesteuerten Fer
tigungsvorgängen. Bei der Herstellung von Werkstücken mit ebenen, kreis
förmigen, kegeligen und schraubenförmigen Flächen wird der Meßvorgang
üblicherweise vom Arbeiter vorgenommen. Die Ausgangsgenauigkeit ist sub
jektiven Einflüssen unterworfen und der Zeitaufwand zur Messung und zur
Erzielung der vorgeschriebenen Abmessung ist beträchtlich. Aus diesem Grunde
ist man bestrebt, den Meßvorgang zu automatisieren und mit Hilfe der gewonne
nen Information über die Lage der betreffenden Abmessung im Toleranzfeld die
7
Maschine zu steuern. Nach der Erreichung der Abmessung wird die Maschine
abgeschaltet, oder es wird, wenn nötig, eine Lagekorrektur des Werkzeug- oder
Werkstückträgers vorgenommen.
Die meßgesteuerte Fertigung von elementaren Werkstückformen wirft eine
Reihe von Problemen auf, die komplexe Lösungen erfordern. Die primäre Frage
dürfte die Genauigkeit und die Stabilität einer automatisierten Fertigung be
treffen. Diese Kriterien stellen den Ausgangspunkt dar für 1. die Untersuchungen
zur Auslegung von Meßsteuerungen, 2. die Informationsgewinnung über den
Verlauf des Fertigungsvorganges über der Betriebszeit und 3. die Bildung von
Signalen zur Steuerung der Maschine. Die Beeinflussung der Genauigkeit und
der Stabilität der Fertigung durch geometrische, kinematische und andere
physikalische Störgrößen bedingt eine genaue Kenntnis der Gesetzmäßigkeiten
ihres Verlaufes in den meßgesteuerten Systemen.
Die Informationen, die die Güte einer Fertigung über die Zeit wiedergeben,
werden mit Hilfe von Messungen der Merkmale an Werkstücken in einer, zwei
oder mehreren Koordinaten gewonnen. Die Abweichungen der Merkmale von
ihren theoretischen Werten sind stochastischer Natur.
Die Einflußgrößen, die die Lage des Werkstückes gegenüber dem Werkzeug
über der Bearbeitungszeit beeinflussen, verlaufen nach bestimmten zufälligen
Funktionen. Die Kenntnis dieser Gesetzmäßigkeiten ist eine der wesentlichen
Voraussetzungen, die geforderte Genauigkeit in der automatisierten Fertigung
zu erzielen.
Die wirtschaftliche Bedeutung der Einführung von meßgesteuerten Fertigungs
vorgängen liegt in der Erfüllung der Anforderungen für die Erhöhung der
Produktivität und der Fertigungsgenauigkeit, ohne daß hochwertige Fachkräfte
in den Produktionsprozeß eingesetzt werden müssen.
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2. Untersuchungen der Genauigkeit und Stabilität der Fertigung
Bei der spanabhebenden Bearbeitung treten bekanntlich Abweichungen von den
vorgeschriebenen geometrischen Abmessungen und Formen der Werkstücke auf.
Als Merkmale für die Beurteilung der Fertigungsgüte kann man Abmessungen,
Formen, gegenseitige Lage der Flächen oder Achsen, Oberflächengüte usw.
heranziehen. Meistens wird in der Praxis die Längenabweichung von der vor
geschriebenen Abmessung als Kriterium gewählt, da sie in der automatisierten
Fertigung am zweckmäßigsten überwacht werden kann. Eine Längenmessung
ist an einer meßgesteuerten Werkzeugmaschine einfacher durchzuführen als die
Kontrolle der Formabweichungen oder der Rauhigkeit. In den vorliegenden
Untersuchungen wird die Länge als Merkmal der Fertigungsgüte gewählt.
2.1 Definition der Fertigungsgenauigkeit
Die Frage, die zur Beurteilung der Fertigungsgüte bei einem gegenseitigen
Vergleich der Genauigkeit zwischen verschiedenen Fertigungsverfahren be
antwortet werden muß, ist das Problem der Bestimmung eines einheitlichen
Kriteriums der Fertigungsgenauigkeit.
Nach J. IcKERT [14] wird die Genauigkeit als »Grad der Annäherung« definiert,
mit dem eine bestimmte vorgeschriebene Abmessung erreicht wird. Bezeichnet
man die Abweichung von dem theoretischen Wert mit x, so ergibt sich das
Genauigkeitsmaß G als Kehrwert der Abweichung:
1
G= (1)
x
Die tatsächliche Abmessung, z. B. eines zylindrischen Werkstückes L (Abb. 1),
t
setzt sich zusammen aus der theoretischen Abmessung L und einer zufälligen
Abweichung Xi:
Lt = L +Xi (2)
Die zufällige Abweichung Xi (oder das Merkmal) kann in verschiedenen Punkten
(i = 1,2 ... 1) des Werkstückes verschiedene Werte einnehmen. Die Bedingung,
die dabei erfüllt werden muß, lautet:
(2a)
d. h., daß die zufällige Abweichung Xi in keinem Punkt des Werkstückes größer
sein darf als die vorgeschriebene Toleranz T, wenn das Werkstück als '>gut«
betrachtet werden soll.
9
Schnitt A -:-A
theoretische Werkstückform
Abb. 1 Maß- und Formabweichungen eines Werkstückes
Bei der Bearbeitung hintereinander folgender Werkstücke mit gleichen Ab
messungen und Formen wird eine Abweichung Xi als Information, die die Lage
der Werkstückabmessung im Toleranzfeld wiedergibt, ermittelt (Abb. 2).
Es sind wenige Arbeiten bekannt, die sich mit der Definition der Fertigungs
genauigkeit in der Serien- und Massenfertigung befassen. D. N. SMITH [32]
definierte die relative Wirksamkeit eines Fertigungsvorganges RE durch die
Beziehung
SI
RE=- (3)
S2
SI = Standardabweichung der Werkstückabmessungen, die sich bei der besten
Durchführung. des Fertigungsvorganges ergibt und
S2 = Standardabweichung der Werkstückabmessungen, die sich bei der gegebe
nen Durchführung des Fertigungsvorganges ergibt
Der RE-Wert gibt die Genauigkeit der Fertigung nur mittelbar an. Wenn die
Größe SI und RE bekannt sind, ist die Standardabweichung S2 ein Kriterium für
die Fertigungsgenauigkeit.
A. K. KUTA] [15] hat für die Beurteilung der Fertigungsgenauigkeit folgenden
Ausdruck vorgesehen:
T
kg = (4)
k· s
kg = Koeffizient der Fertigungsgenauigkeit
T = Toleranzgröße
s = Standardabweichung der Merkmale
k = Koeffizient der statistischen Verteilung der Merkmale
10
x
'. !
•• . . t
•
x .~
....~.l
.....:
11 1 1 1 'I 1 1 i' " 1 1 " 1 J , , ,
o
Bearbeitungszeit t
Anzahl der hintereinander
bearbeiteten Werkstücke
Abb. 2 Tatsächliche Abmessung Lt eines Werkstückes in der Serienfertigung
Zu dem Begriff des Verteilungs koeffizienten k ist folgendes zu bemerken:
Die Merkmale streuen innerhalb eines Bereiches, der durch das Produkt k . s
festgelegt ist. Die Wahrscheinlichkeit, daß die Merkmale z. B. bei einer ~ormal­
verteilung in den Bereich zwischen i - 3s und i-+- 3s fallen, beträgt 99,73~~
(i = der Mittelwert der Merkmale). In den praktischen Fällen wird der Streu
bereich für diese Verteilung gleich 2· 3s = 6s angesetzt (k = 6). Für einige
Verteilungstypen sind die Koeffizienten k in Tab. 2 aufgeführt. Die Ausdrücke
(3) und (4) berücksichtigen eine wichtige Größe nicht, und zwar die Werkstück
abmessung L, die für die Beurteilung der Genauigkeit einer Werkstückserie
herangezogen werden muß. Aus diesem Grunde sind die beiden Ausdrücke
genügend objektive Genauigkeitskriterien nur unter bestimmten V oraussetzun
gen. Folgendes Beispiel bestätigt diese Feststellung. Zwei Werkstückserien mit
der gleichen Abmessung L, jedoch verschiedenen Toleranzgrößen und Standard
abweichungen, werden in bezug auf ihre Genauigkeit verglichen.
1. Fa!! T = 100 !J.m; s = 10 !J.m; k = 6 (für die Normalverteilung)
T 100
kg = - = -- = 1,66
k· s 6·10
2. Fal! T = 10 !J.m; s = 1 !J.m; k = 6
T 10
kg =-=- = 1,66
k· s 6·1
Es ist offensichtlich, daß die Fertigungsgenauigkeit von Werkstücken mit der
Toleranz T = 10 !J.m und einer Standardabweichung von s = 1 !J.m trotz der
gleichen Koeffizienten k wesentlich höher ist als im ersten Fall. Aus diesem
g
Grunde kann man den Genauigkeitskoeffizienten nach KUTAJ nur bei gleichen
11